生物教案：新陳代謝與ATP
教學(xué)目標(biāo)
知識方面
1、理解ATP的分子簡式及其結(jié)構(gòu)特點
2、理解ATP和ADP之間的相互轉(zhuǎn)化及其對細(xì)胞中能量代謝中的意義
3、理解ATP的形成途徑
4、掌握ATP是新陳代謝的直接能源，并理解ATP作為"能量通用貨幣"的含義
能力方面
學(xué)生通過分析ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化及其對細(xì)胞內(nèi)供能的意義，初步訓(xùn)練學(xué)生分析實際問題的能力。
情感、態(tài)度、價值觀方面
讓學(xué)生在分析自己身體內(nèi)發(fā)生的ATP-ADP循環(huán)及其重要意義過程中，體驗到生物學(xué)原理在生產(chǎn)實踐中的價值，加強(qiáng)學(xué)生對身邊的科學(xué)（RLS）這一理念的理解。
教學(xué)建議
教材分析
1、對于ATP的分子結(jié)構(gòu)，教材首先介紹了ATP是腺嘌呤核苷的衍生物，分子簡式為A-P~P~P，其中A代表腺苷，T代表三個，P代表磷酸基，~代表高能磷酸鍵，然后從比較高能磷酸化合物釋放能量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值和ATP釋放能量的數(shù)值入手，使學(xué)生很信服地認(rèn)識到ATP的確是一種高能磷酸化合物。
2、對于ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化，教材中首先介紹了ATP水解和重新合成的過程：ATP與ADP的轉(zhuǎn)化中，ATP的第二個和第三個磷酸之間的高能磷酸鍵對于細(xì)胞中能量的捕獲、貯存和釋放都是很重要的。第二個高能磷酸鍵的末端，能很快地水解斷裂，于是ATP轉(zhuǎn)換為ADP，能量隨之釋放出來以用于各項生命活動；同樣，在提供能量的條件下，也容易加上第三個磷酸，使ADP又轉(zhuǎn)化為ATP。在ATP與ADP的轉(zhuǎn)化過程中都需要酶的參與，活細(xì)胞內(nèi)這個過程是永無休止地循環(huán)進(jìn)行的。
同時還介紹了ATP與ADP的這種相互轉(zhuǎn)化是十分迅速的，ATP在細(xì)胞中的含量是很少的，如肌細(xì)胞中的ATP只能維持肌肉收縮2鈔鐘左右。從而易于引發(fā)學(xué)生討論ADP-ADP循環(huán)的意義，同時可使學(xué)生加強(qiáng)ATP是生物體維持各項生命活動所需能量的直接來源的觀點。
3、對于ATP的形成途徑，教材是在介紹了ADP-ATP循環(huán)的基礎(chǔ)上，從動物（包括人體）和綠色植物兩方面進(jìn)行了闡述。對動物而言，產(chǎn)生ATP途徑是是氧化磷酸化，即呼吸作用；對植物而言，產(chǎn)生ATP的過程包括氧化磷酸化（呼吸作用）和光合磷酸化（光合作用）。
4、對于ATP的生理功能，教材先分析了生物體內(nèi)糖類、脂肪等物質(zhì)具有儲存能量的特點，指出新陳代謝不僅需要酶，還需要能量，糖類是細(xì)胞的主要能源之一，脂肪是生物體內(nèi)重要的儲能物質(zhì)，但這些有機(jī)物中的能量都不能直接被生物利用，它們的能量只有在細(xì)胞中隨著有機(jī)物的逐步分解而釋放出來，且儲存到ATP中才能被生物體利用，從而使學(xué)生易于理解為什么ATP是新陳代謝所需能量的直接來源。在本節(jié)的最后，教材還用ATP是流通著的"能量貨幣"這一形象的比喻，以加深學(xué)生對ATP的生理功能以及ADP-ATP相互轉(zhuǎn)化的認(rèn)識，即伴隨著ATP的水解與合成的過程，發(fā)生著能量的釋放與儲存，從而推動新陳代謝順利進(jìn)行。
教法建議
本節(jié)教學(xué)內(nèi)容中，ATP的分子簡式、ATP的生理功能是重點，ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)變在新陳代謝中的作用，既是教學(xué)重點也是難點。
1．引入本節(jié)課時，首先要讓學(xué)生明確以下事實，即生物體的生存不僅僅要依靠物質(zhì)上的支持，同時還必須有能量的維持，在生物體內(nèi)發(fā)生物質(zhì)變化的同時，必定伴隨著能量的獲取、儲存、釋放、利用和散失。這樣，引入ATP這一生物體直接能源就順理成章了。
2．引出ATP這一高能化合物時，還是先從學(xué)生較為熟悉的能量形式入手比較容易被學(xué)生接受。比如，可先從宏觀上引導(dǎo)學(xué)生分析綠色植物的光合作用過程把光能以化學(xué)能的形式儲存在糖類、脂肪等有機(jī)物中；動植物又通過呼吸作用分解體內(nèi)的有機(jī)物而獲取生命活動所需的能量。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析出：光能只有轉(zhuǎn)化成一種活躍的化學(xué)能，才能被綠色植物利用；同樣，動、植物通過呼吸作用分解有機(jī)物釋放出的能量，除了一部分以熱能的形式散失或維持體溫外，其余的都要轉(zhuǎn)化成一種活躍的化學(xué)能，才能用于各項生命活動。那么這種活躍的、隨時可以利用的化學(xué)能是什么呢?這樣自然而然地就引出ATP這一生物體的直接能源物質(zhì)。
3．ATP的分子結(jié)構(gòu)不宜講授得過于深入。學(xué)生只要了解ATP中具有不穩(wěn)定的高能磷酸鍵，ATP水解時釋放其能量，形成ATP時需要能量就可以了，應(yīng)把學(xué)生討論的重點放在ATP釋放出的能量用于哪些生理過程，及形成ATP的高能磷酸鍵時，能量來自哪些生理過程，以便使學(xué)生易于理解ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)變在細(xì)胞中能量的'儲存、轉(zhuǎn)移和利用中的作用。
4．ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化及這種轉(zhuǎn)化在能量的儲存、轉(zhuǎn)移和利用中的作用，是本節(jié)學(xué)習(xí)的難點。為使學(xué)生的討論順利進(jìn)行，教師應(yīng)適時給學(xué)生以下提示：其一，細(xì)胞內(nèi)ATP的含量是相對穩(wěn)定的；其二，ATP在細(xì)胞內(nèi)的含量是極少的，其三，細(xì)胞內(nèi)的糖類、脂類等能源物質(zhì)不能被細(xì)胞直接利用，ATP的水解后釋放的能量才是細(xì)胞內(nèi)各種生命活動的直接能量來源；其四，呼吸作用分解有機(jī)物釋放能量不能為生物體直接利用，只有這些能量轉(zhuǎn)移給ATP，且ATP水解后釋放的能量才可被細(xì)胞利用。最終應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識到ATP與ADP之間高效、迅速的轉(zhuǎn)化是處于動態(tài)平衡之中的，ATP是生物體的直接能源，是細(xì)胞能量代謝的"通用貨幣"。
5．ATP的形成途徑也不宜太深入，因為光合作用、呼吸作用的具體過程還沒學(xué)到。注意引導(dǎo)學(xué)生分析出綠色植物通過光合作用，將光能轉(zhuǎn)化成ATP中的化學(xué)能，并將ATP中的化學(xué)能最終儲存在糖類等有機(jī)物中，即光合作用過程中固定的光能是綠色植物、動物和人形成的ATP的能量源泉。
教學(xué)設(shè)計示例
【課題】 第二節(jié) 新陳代謝與ATP
【教學(xué)重點】ATP的分子簡式及其結(jié)構(gòu)特點、ATP和ADP之間的相互轉(zhuǎn)化及其對細(xì)胞內(nèi)能量代謝中的意義、ATP的形成途徑、ATP是新陳代謝的直接能源，能理解ATP作為“能量通用貨幣”的含義
【教學(xué)難點】ATP和ADP之間的相互轉(zhuǎn)化及其對細(xì)胞內(nèi)能量代謝中的意義、理解ATP作為“能量通用貨幣”的含義
【課時安排】1課時
【教學(xué)手段】板圖、掛圖、多媒體課件
【教學(xué)過程】
1、引言
設(shè)計1：通過學(xué)生列舉生活實例引入ATP這一高能化合物。
新陳代謝的物質(zhì)變化過程中，必定伴隨著能量的轉(zhuǎn)化。為了使學(xué)生對能量的轉(zhuǎn)化有一個感性的認(rèn)識，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生從自己的生活中找一些能量轉(zhuǎn)化的實例，比如可以提問：
（1）“你能舉出幾個生物體內(nèi)發(fā)生的諸如能量轉(zhuǎn)化、或能量的吸收儲存、或能量的釋放利用的例子來嗎？”
�。�2）“綠色植物能把光能直接用于有機(jī)物的合成嗎?”或“生物體通過呼吸作用把有機(jī)物中的能量釋放出來，這些能量能直接被細(xì)胞利用嗎？”
不能，光能必須要轉(zhuǎn)化為一種活躍的化學(xué)能才能用于有機(jī)物的合成；有機(jī)物中的能量通過呼吸作用釋放出來后，也必須轉(zhuǎn)化為一種活躍的化學(xué)能才能用于生物體的各項生命活動，攜帶這種活躍的化合能的物質(zhì)就是一種高能化合物，即ATP，這樣很自然地引入了ATP這個概念。
設(shè)計2：從細(xì)胞中能量利用存在的矛盾入手，設(shè)計相關(guān)的問題串引入ATP這一高能化合物。
�。�1）“細(xì)胞中主要是由什么細(xì)胞器來產(chǎn)生能量的？”
線粒體的呼吸作用氧化分解有機(jī)物釋放能量
（2）“細(xì)胞中有哪些生理過程在不斷地消耗著能量？”
細(xì)胞分裂、細(xì)胞核中DNA的復(fù)制、核糖體合成蛋白質(zhì)、細(xì)胞膜主動運輸、高爾基體合成分泌等需要能量
�。�3）“細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)能與用能很明顯地存在著空間上的隔離，細(xì)胞是怎樣解決這一矛盾的呢?”
�。�4）“細(xì)胞內(nèi)存在有糖類、脂肪等有機(jī)物，這些有機(jī)物含有大量且穩(wěn)定的能量，但某項生命活動可能不用大量的能量就足以進(jìn)行，而且糖類、脂肪中儲存的能量又過于穩(wěn)定，不易被生物體利用，細(xì)胞又是怎樣解決這一矛盾的呢？”
這樣就可自然地引入ATP這種儲能少、不穩(wěn)定、可為所有生理活動供能的高能化合物。
2、ATP的分子簡式及其結(jié)構(gòu)特點
在引導(dǎo)學(xué)生討論ATP的分子結(jié)構(gòu)簡式及其特點時，可從ATP的英文名稱中的三個字母含義、中文名稱、ATP是高能化合物等方面入手，使學(xué)生易于理解ATP的結(jié)構(gòu)特點及其生理作用。
需要向?qū)W生解釋清楚高能化合物的概念，即高能磷酸鍵水解過程中，釋放的能量是一般的共價鍵的2倍以上，如ATP末端磷酸水解生成ADP和磷酸時，釋放出的能量約30.5kJ/mol上，而6-磷酸葡萄糖水解成葡萄糖和磷酸時，釋放的能量只有13.8kJ/mol。這種鍵稱為高能鍵，常以“~”符號表示。含有高能鍵的化合物統(tǒng)稱為高能化合物。
然后讓學(xué)生自己分析ATP的結(jié)構(gòu)簡式的含義，如ATP中兩個磷酸基團(tuán)之間（P和P之間用“~“表示）的化學(xué)鍵是高能磷酸鍵。
細(xì)胞內(nèi)釋放能量的反應(yīng)，如呼吸作用常會伴隨ADP轉(zhuǎn)變成ATP；而耗能的反應(yīng)，如蛋白質(zhì)的合成等，需要用ATP水解成ADP再將能量釋放出來，以推動需能代謝反應(yīng)的進(jìn)行。
ATP和ADP在體內(nèi)總是處于不停地轉(zhuǎn)化中，且處于動態(tài)平衡之中。
3、ATP和ADP之間的相互轉(zhuǎn)變及其意義
在引導(dǎo)學(xué)生討論ATP和ADP之間的相互轉(zhuǎn)變時，需強(qiáng)調(diào)細(xì)胞內(nèi)ATP的含量是相對穩(wěn)定的；ATP在細(xì)胞內(nèi)的含量是極少的，細(xì)胞內(nèi)的糖類、脂類等能源物質(zhì)不能被細(xì)胞直接利用，ATP的水解后釋放的能量才是細(xì)胞內(nèi)各種生命活動的直接能量來源，呼吸作用分解有機(jī)物釋放能量不能為生物體直接利用，只有這些能量轉(zhuǎn)移給ATP，且ATP水解后釋放的能量才可被細(xì)胞利用。最終應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識到ATP與ADP之間高效、迅速的轉(zhuǎn)化是處于動態(tài)平衡之中的，ATP是生物體的直接能源，是細(xì)胞能量代謝的“通用貨幣”。
4、在討論了ATP和ADP之間相互轉(zhuǎn)變及其意義后，在小結(jié)ATP在細(xì)胞內(nèi)能量的轉(zhuǎn)換、運輸、利用中的關(guān)鍵作用時，可結(jié)合本節(jié)所講的內(nèi)容，提一些與ATP有關(guān)的綜合性問題供學(xué)生討論，讓學(xué)生在討論中加深對ATP這一生物體直接能源物質(zhì)的理解。比如，可以討論下面幾個問題：
�。�1）眾多能源物質(zhì)中，ATP這種絕對含量極少的物質(zhì)為什么成為直接能源？
葡萄糖、糖元、淀粉、脂肪、氨基酸、脂肪酸、磷酸肌酸等，這些都可作為生物體的能源物質(zhì)，但生物體不能利用這些能源物質(zhì)中的能量，這些物質(zhì)中儲存的能量必須要轉(zhuǎn)移給ATP中。生物體直接從ATP中獲得生命活動所需的各種形式的能量，如ATP可轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能、滲透能、化學(xué)能、光能和熱量等。
�。�2）為什么ATP是細(xì)胞內(nèi)能量釋放、儲存、轉(zhuǎn)移和利用的中心物質(zhì)，成為生物的直接能源呢？
我們來看看葡萄糖和ATP分子中儲存能量的差異就明白了。ATP末端磷酸基團(tuán)水解時，釋放出的能量是30.5kJ/mol，一般把水解時釋放20.92 kJ/mol以上能量的化合物叫高能化合物，可見ATP是高能化合物，而且其能量與某些高能化合物（如磷酸肌酸）相比，要低一些，因此磷酸肌酸中的能量可在不需額外供能的情況下轉(zhuǎn)移給ATP。而葡萄糖分子徹底氧化為二氧化碳和水后，釋放出2870kJ/mol的能量。結(jié)果，存在于葡萄糖分子中的能量就像存在銀行里的錢，而儲存在ATP分子中的能量則像“零錢”，它更容易在細(xì)胞中被使用，因此還有的說ATP是能量的“通用貨幣”就是這個道理。
�。�3）ATP對生命的維持是極其重要的，試想：當(dāng)產(chǎn)生ATP的過程停止時，會發(fā)生什么？
舉一個例子，學(xué)生可能知道氰化物可以在非常短的時間內(nèi)使人死亡，其毒理就是阻擋ATP的形成。當(dāng)人體ATP合成受阻后，機(jī)體沒有ATP，神經(jīng)細(xì)胞和其他細(xì)胞中的細(xì)胞活動就不能繼續(xù)，人在3-6分鐘內(nèi)就會失去知覺。
�。�4）還有一個問題值得一提，就是ATP在生物體中的絕對含量是極小的，但生物體中的每一個細(xì)胞每時每刻都在消耗著ATP，但在正常情況下，生物體內(nèi)的ATP量可滿足機(jī)體的要求，奧妙何在呢？
生物體可把其它能源物質(zhì)的能量高速地轉(zhuǎn)移給ATP，以補(bǔ)充ATP的消耗，即ATP—ADP循環(huán)速度是很快的。
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